【所屬領(lǐng)域】
能源環(huán)保
【痛點問題】
CO2捕集利用與封存（CCUS）技術(shù)被認為是當(dāng)前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)化石能源低碳利用的可行技術(shù)路線。CCUS存在碳捕集能耗高（≥2.4GJ/t CO2）、CO2轉(zhuǎn)化利用效率低、封存安全期短等技術(shù)問題，碳捕集成本占全鏈條CCUS成本的70%~80%，同時也是降低整個CCUS成本的最大潛力部分，因此迫切需要在變革性、引領(lǐng)性的CCUS技術(shù)自主創(chuàng)新方面形成突破。
在此背景下，化學(xué)鏈燃燒（CLC）技術(shù)逐漸成為研究熱點。化學(xué)鏈燃燒技術(shù)是循環(huán)利用氧載體來傳遞燃料燃燒所需的活性氧和熱量，將劇烈的一步燃燒過程分為相對溫和的兩步反應(yīng)，從而實現(xiàn)化學(xué)能的梯級利用，提高能量利用效率。與現(xiàn)有的CO2捕集技術(shù)相比，化學(xué)鏈燃燒技術(shù)具有系統(tǒng)效率高的優(yōu)點，國內(nèi)外公認化學(xué)鏈燃燒技術(shù)是CO2減排成本最低（小于15美元/噸CO2）、CO2減排能耗最低（小于1.0GJ/噸CO2）的化石能源源頭碳捕集技術(shù)之一。
已有研究表明，裝置燃料輸入熱功率在3MW左右才能實現(xiàn)自熱運行，化學(xué)鏈燃燒串行流化床裝置運行時的熱量自持需要調(diào)控氧載體、床料量、固體循環(huán)速率等，是其實現(xiàn)商業(yè)化的瓶頸問題，這受限于反應(yīng)器熱質(zhì)傳遞調(diào)控策略、系統(tǒng)高效能量集成技術(shù)的缺乏和不完善。因此，成功運行兆瓦級自熱化學(xué)鏈燃燒工程示范裝置將是解決化學(xué)鏈燃燒裝置放大及其產(chǎn)業(yè)化過程的關(guān)鍵。
【成果介紹】
自熱化學(xué)鏈燃燒裝置是化學(xué)鏈燃燒技術(shù)研發(fā)平臺、也是循環(huán)流化床研發(fā)平臺，不僅可實現(xiàn)天然氣等氣體燃料化學(xué)鏈燃燒，還可進行煤化學(xué)鏈燃燒和生物質(zhì)等碳中性燃料的化學(xué)鏈燃燒，亦可實現(xiàn)固體廢棄物清潔低碳的化學(xué)鏈燃燒，同樣可進行常規(guī)的循環(huán)流化床空氣燃燒或者部分化學(xué)鏈燃燒。
化學(xué)鏈燃燒的基本原理是利用兩個相互串聯(lián)且氣氛隔絕的反應(yīng)器將一步式燃燒反應(yīng)分解成兩步的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)，通過循環(huán)利用一種固體金屬氧化物（氧載體）進行傳熱和傳氧提供燃料燃燒所需熱量和氧量，實現(xiàn)燃料與空氣不直接接觸無焰無O2燃燒、化學(xué)能梯級利用、低NOx和二噁英生成、燃燒產(chǎn)物CO2原位高濃度富集和低能耗捕集。化學(xué)鏈燃燒的第一步是在燃料反應(yīng)器中氧載體與燃料之間的反應(yīng)產(chǎn)生CO2和H2O；還原后的氧載體被送回空氣反應(yīng)器通過空氣氧化恢復(fù)其載氧能力，反應(yīng)熱則用來驅(qū)動汽輪機發(fā)電或產(chǎn)生水蒸氣供熱。燃料反應(yīng)器出口氣體不被N2稀釋，簡單冷凝后就可得到高純度的CO2（可達95%），無需耗能的CO2分離過程。
圖1 自熱化學(xué)鏈燃燒源頭碳捕集技術(shù)研發(fā)示范
【性能指標(biāo)】
自熱化學(xué)鏈燃燒裝置具有國際領(lǐng)先的技術(shù)指標(biāo)，如表1所示。其中，反映化學(xué)鏈燃燒性能的指標(biāo)（燃料反應(yīng)器干煙氣CO2濃度、CO2捕集率、燃燒效率）均在90%以上，而煙塵、SO2、NOx排放濃度均達到現(xiàn)行超凈排放標(biāo)準(zhǔn)，CO2經(jīng)壓縮純化后，符合食品級要求。
表1 串行流化床自熱化學(xué)鏈燃燒裝置的主要技術(shù)指標(biāo)
序號 |
技術(shù)項目 |
性能指標(biāo) |
1 |
燃料反應(yīng)器干煙氣CO2濃度 |
≥90% |
2 |
CO2捕集率 |
≥90% |
3 |
燃燒效率 |
≥90% |
4 |
煙塵排放濃度 |
≤5 mg/m3 |
5 |
SO2排放濃度 |
≤5 mg/m3 |
6 |
NOx排放濃度 |
≤10 mg/m3 |
7 |
CO2壓縮純化品級 |
食品級 |
8 |
產(chǎn)生蒸汽參數(shù) |
310 ℃/1MPa |
9 |
串行流化床熱效率 |
90% |
10 |
CO2捕集成本(折算) |
≤1.0GJ/tCO2 |
【技術(shù)優(yōu)勢】
作為國際上領(lǐng)先的源頭捕碳裝置，基于燃料能量梯級利用的兆瓦級化學(xué)鏈燃燒裝置采用串行流化床的技術(shù)路線，可實現(xiàn)無需外部供熱的自熱連續(xù)運行，且可實現(xiàn)對外供給“零碳”水蒸氣以及CO2的富集、壓縮、純化和商業(yè)利用的一體化。進一步，10MW以上自熱化學(xué)鏈燃燒源頭捕碳裝置將為化學(xué)鏈燃燒工業(yè)應(yīng)用起到至關(guān)重要的技術(shù)支撐作用，也將是掌握化學(xué)鏈燃燒全套自主知識產(chǎn)權(quán)、形成可實際應(yīng)用的工業(yè)產(chǎn)能、站在新一代低能耗碳捕集技術(shù)國際前沿的關(guān)鍵步驟，對我國“雙碳”戰(zhàn)略的推進有著重要的引領(lǐng)示范效應(yīng)。
由于不需要常規(guī)碳捕集方式的高能耗高成本氣-氣分離，化學(xué)鏈燃燒的碳捕集成本低于100元/噸（常規(guī)碳捕集成本約300元/噸以上）、系統(tǒng)能效降低2-3個百分點（常規(guī)碳捕集降低約10個百分點）。即使不考慮碳稅或碳交易市場、也不考慮高純CO2出售收益，50MW鍋爐供熱成本增加約15元/噸，600MW電站供電成本僅增加約8分/度電（常規(guī)碳捕集增加約2角/度電）。若進入碳交易市場，50MW化學(xué)鏈燃燒鍋爐供熱成本比常規(guī)鍋爐低約3元/噸，600MW煤化學(xué)鏈燃燒電站用于碳交易可收益1億元/年。如果考慮高純CO2出售，50MW化學(xué)鏈燃燒鍋爐的供熱成本比常規(guī)鍋爐低約130元/噸，600MW煤化學(xué)鏈燃燒電站用于CO2出售可收益9.3億元/年。
【技術(shù)成熟度】
已有樣品/樣機。
【產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用】
研究團隊作為推進國內(nèi)化學(xué)鏈燃燒技術(shù)發(fā)展的核心力量，已完成低成本高性能氧載體規(guī)模化篩選制備，通過簡單方法制備滿足化學(xué)鏈循環(huán)燃燒性能的氧載體，完成工業(yè)化大規(guī)模制備氧載體工藝流程。針對化學(xué)鏈燃燒技術(shù)存在出口未燃盡氣體、焦炭進入空氣反應(yīng)器、出口氧濃度高、系統(tǒng)過于復(fù)雜等實際運行問題，團隊攻關(guān)解決化學(xué)鏈燃燒技術(shù)實際運行中的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，采用仿真模擬與實驗相結(jié)合的方式，以前期工程技術(shù)經(jīng)驗為基礎(chǔ)，重點解決化學(xué)鏈反應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計建設(shè)，實現(xiàn)工業(yè)化放大。
發(fā)展規(guī)劃
研究團隊高度重視研究成果的工程示范和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，與行業(yè)龍頭企業(yè)形成了良好的產(chǎn)學(xué)研合力，聯(lián)合廣東省能源集團有限公司、中國石油集團石油化工研究院有限公司、中國建材集團天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司、中國長江三峽集團長江生態(tài)環(huán)保集團有限公司、中鋼集團天澄環(huán)保科技股份有限公司、浙江吉利控股集團有限公司等多個行業(yè)龍頭企業(yè)組建源頭碳捕集與利用創(chuàng)新聯(lián)合體，共同開展源頭碳捕集和規(guī)模碳利用的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)促進工作。
應(yīng)用前景
經(jīng)濟效益：由于不需要常規(guī)碳捕集方式的高能耗高成本氣-氣分離，化學(xué)鏈燃燒的碳捕集成本低于100元/噸（常規(guī)碳捕集成本約300元/噸以上）、系統(tǒng)能效降低2-3個百分點（常規(guī)碳捕集降低約10個百分點）。兆瓦級化學(xué)鏈燃燒裝置CO2捕獲能力0.1~1萬噸/年，經(jīng)壓縮純化的CO2濃度高達99.99%，經(jīng)濟效益預(yù)計150~250萬元，碳交易額幾十萬元。
政治效益：在碳捕集利用與封存技術(shù)中，任何一項技術(shù)實現(xiàn)變革性突破都將帶來能源結(jié)構(gòu)的巨大變化。化學(xué)鏈燃燒技術(shù)作為最具潛力的低成本碳捕集技術(shù)，已發(fā)展到中試規(guī)模及工程示范放大階段。在國內(nèi)與國際社會率先實現(xiàn)兆瓦級化學(xué)鏈燃燒技術(shù)工程示范裝置研發(fā)與運行必將引領(lǐng)世界各化學(xué)鏈燃燒技術(shù)研發(fā)單位，構(gòu)建現(xiàn)代能源體系的決心與能力，為技術(shù)進一步放大提供指導(dǎo)，為碳減排事業(yè)指明方向。
社會效益：兆瓦級自熱化學(xué)鏈燃燒鍋爐將是國際上首臺套和最大規(guī)模的化學(xué)鏈燃燒工業(yè)裝置，也將是國際上首臺套商業(yè)運行的碳捕集工業(yè)裝置，且具備進一步放大的工業(yè)化應(yīng)用前景。在雙碳戰(zhàn)略背景下，掌握該技術(shù)自主知識產(chǎn)權(quán)將對我國碳達峰和碳中和起到巨大的支撐作用，必將成為雙碳標(biāo)志性、引領(lǐng)性工程。
知識產(chǎn)權(quán)
該成果包括多項已授權(quán)中國發(fā)明專利。
合作方式
專利許可、專利轉(zhuǎn)讓、作價入股、技術(shù)開發(fā)、面談等。
【聯(lián)系方式】
CG24024
